แปลและเรียบเรียงโดย อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

“น้ำ” เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการดำรงชีวิต ดังนั้น จึงไม่ใช่เรื่องง่ายนักที่จะเอาชีวิตรอดในพื้นที่ที่ขาดแคลนน้ำอย่างทะเลทราย

สิ่งมีชีวิตในทะเลทรายจึงจำเป็นต้องใช้น้ำจากแหล่งต่างๆ ไม่ว่าน้ำค้าง หรือหยดน้ำในอากาศอย่างหมอก นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษากลไกการเอาตัวรอดของพืชและสัตว์ทะเลทรายไว้หลายชนิด ดังตัวอย่างต่อไปนี้

แมลงปีกแข็งแห่งทะเลทรายนามิบ (Namib Desert beetles): แมลงชนิดนี้ดักน้ำโดยหันหน้าเข้าไปในสายหมอกพร้อมกับยกก้นให้สูงขึ้นเพื่อให้ปีกของมันปะทะกับหมอกอย่างเต็มที่ จากนั้นจะอาศัยปุ่มนูนบนปีกดักจับน้ำ

ปุ่มนูนบนหลังแมลงชนิดนี้มีพื้นผิวแบบชอบน้ำ (hydrophilic) จึงดึงดูดละอองน้ำขนาดเล็กให้มาเกาะสะสมที่ปุ่มนี้เกิดเป็นหยดน้ำที่มีขนาดและน้ำหนักมากขึ้น ก่อนที่จะไหลลงมายังพื้นผิวรอบๆ ปุ่มซึ่งเป็นบริเวณที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic) และไหลเข้าสู่ปากของมันในที่สุด

แมลงปีกแข็ง Stenocara gracilipes

สัตว์เลื้อยคลานจำพวกกิ้งก่า (Lizards): เดิมเคยเชื่อกันว่ากิ้งก่า Moloch horridus ที่อาศัยในบริเวณแห้งแล้งแถบทางตอนใต้และตะวันตกของออสเตรเลียดูดซึมน้ำผ่านทางผิวหนัง แต่ต่อมาพบว่าหยดน้ำที่กระจายบนผิวหนังเคลื่อนที่ไปตามทิศทางที่จะไหลเข้าสู่ปากด้วยกลไกการซึมตามรูเล็ก (capillary action)

กิ้งก่า Moloch horridus

ใยแมงมุม (spider web): ในสภาวะที่มีความชื้นเส้นใยแมงมุมจะมีโครงสร้างเปลี่ยนไป หากใช้แว่นขยายส่องเส้นใยจะเห็นส่วนที่เป็นปม (spindle knot) และส่วนที่เชื่อมต่อปม (joint) ส่วนที่เป็นปมประกอบด้วยเส้นใยแบบมีรูพรุนขนาดจิ๋วที่จัดเรียงตัวแบบไม่มีแบบแผนทำให้พื้นผิวมีลักษณะขรุขระ ขณะที่ส่วนที่เชื่อมต่อปมประกอบด้วยเส้นใยแบบมีรูพรุนขนาดจิ๋วที่ยืดตัวและเรียงตัวขนานไปตามเส้นใยทำให้พื้นผิวมีลักษณะเรียบ

เมื่อมีไอน้ำสัมผัสเส้นใยแมงมุม น้ำจะควบแน่นกลายเป็นหยดในบริเวณส่วนที่เชื่อมต่อ จากนั้นจะไหลไปสะสมบริเวณปมที่อยู่ใกล้ ความแตกต่างของพื้นผิวของปมและส่วนเชื่อมต่อปมทำให้เกิดเกรเดียนต์ของพลังงานพื้นผิว (surface energy gradient) ซึ่งส่งผลต่อทิศทางการไหลของน้ำ โดยทำให้น้ำไหลไปยังทิศที่มีแรงต้านน้อยกว่าหรือชอบน้ำมากกว่าซึ่งคือ บริเวณปม อีกทั้งรูปร่างของปมที่มีลักษณะคล้ายกระสวยทำให้เกิดแรงดันลาปลาซ (Laplace pressure) น้ำจึงไหลไปยังบริเวณกึ่งกลางของปม

ใยแมงมุม Araneae

กระบองเพชร หรือแคคตัส (cactus): มักพบในพื้นที่แห้งแล้ง ส่วนใหญ่มีลักษณะที่อวบอ้วนฉ่ำน้ำ มีหนามรูปทรงกรวย เนื่องจากพืชชนิดนี้เปลี่ยนใบเป็นหนามเพื่อลดการคายน้ำ บริเวณปลายหนามมีขนขนาดจิ๋วใช้ดักละอองน้ำในอากาศ ละอองน้ำที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจนกลายเป็นหยดน้ำและไหลไปตามความลาดชันของหนามรูปทรงกรวยด้วยแรงดันลาปลาซ โดยร่องบนหนามช่วยนำทางไปสู่ราก

กระบองเพชร Opuntia microdasys

หญ้า Stipagrostis sabulicola (grass): พืชประจำถิ่นแห่งทะเลทรายนามิบชนิดนี้ใช้ใบที่มีสมบัติชอบน้ำในการดักจับละอองน้ำในอากาศ เมื่อละอองน้ำสะสมจนมีขนาดใหญ่ขึ้นก็จะไหลไปตามแนวยาวของร่องที่อยู่บนใบสู่ราก

หญ้า Stipagrostis sabulicola

ไม้พุ่ม Cotula fallax : พืชประจำถิ่นแห่งแอฟริกาใต้ชนิดนี้ดักจับละอองน้ำในอากาศโดยอาศัยขนละเอียดบนใบ ละอองน้ำขนาดเล็กเริ่มสะสมจนมีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมากขึ้น จากนั้นจะไหลลงตามโครงสร้างของลำต้นจากหลายทิศทาง เนื่องจากมีลักษณะเป็นพุ่ม

ไม้พุ่ม Cotula fallax

มนุษย์นำความรู้ที่ได้จากการศึกษาสิ่งมีชีวิตในทะเลทรายมาสร้างเทคโนโลยีในการดักจับน้ำในอากาศ เทคโนโลยีที่ประหยัดและเรียบง่ายที่ใช้อยู่คือ การใช้ตาข่ายโพลิเมอร์ขึงแบบ 2 มิติเพื่อดักละอองน้ำจากอากาศ แต่วิธีนี้ยังมีข้อจำกัด จึงมีการออกแบบใหม่ให้โครงสร้างมีลักษณะเป็นหอคอยเพื่อให้รับน้ำได้ดีขึ้น อีกทั้งกลายเป็นศูนย์รวมของคนในพื้นที่ โดยโครงสร้างและพื้นผิวของตาข่ายเป็นการดัดแปลงจากความรู้ที่ได้จากพืชและสัตว์ในทะเลทราย

ตาข่ายโพลิเมอร์ 2 มิติของ Raschel ที่มีจำหน่ายในเชิงการค้าของมูลนิธิ FogQuest (a) และตาข่ายที่ออกแบบในลักษณะเป็นหอคอยของมูลนิธิ Warka Water (b)

ภาพจาก: https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rsta.2016.0135

Dev Gurera และ Bharat Bhushan ได้เสนอรูปแบบของตาข่ายดักน้ำในอากาศไว้ 2 แบบ แบบแรกเลียนแบบพื้นผิวของแมลงปีกแข็งแห่งทะเลทรายนามิบ และแบบที่ 2 รวมจุดเด่นของสิ่งมีชีวิต 3 ชนิด ได้แก่ แมลงปีกแข็ง หญ้า และกระบองเพชรเข้าด้วยกัน

พวกเขาพบว่าอุปกรณ์ที่เลียนแบบพื้นผิวแมลงปีกแข็ง ซึ่งประกอบด้วยจุดที่ชอบน้ำและพื้นที่รอบจุดที่ไม่ชอบน้ำจะสามารถดักจับน้ำได้ดีกว่าอุปกรณ์ที่มีแต่พื้นผิวแบบชอบน้ำ และหากออกแบบตาข่ายให้มีหนามเป็นแผงคล้ายกระบองเพชรก็จะดักน้ำได้ดีกว่าแบบที่มีหนามเพียงอันเดียว ส่วนร่องบนหนามที่เลียนแบบร่องบนใบหญ้าแม้จะส่งผลต่ออัตราการดักน้ำบ้าง แต่เชื่อว่าทิศทางของร่องจะช่วยให้การสะสมน้ำเกิดได้ดีขึ้น สรุปคือ ตาข่ายที่ออกแบบให้มีหนามเป็นแผงที่ทำมุม 45 องศากับลม พื้นผิวของหนามมีปลายที่ไม่ชอบน้ำขณะที่โคนชอบน้ำ และมีร่องสามารถดักจับน้ำได้มากที่สุด

รูปแบบอุปกรณ์ดักจับไอน้ำ a) การออกแบบพื้นผิวเลียนแบบธรรมชาติ b) การนำพื้นผิวมาออกแบบเป็นตาข่าย

นอกจากนี้ Otto Klemm และทีมวิจัยยังออกแบบช่องตะแกรงสำหรับดักละอองน้ำเป็น 3 มิติเลียนแบบโครงสร้างใบของต้น Cotula fallax ซึ่งหากเปรียบเทียบกับช่องตะแกรงมาตรฐานแบบ 2 มิติของ Raschel (standard 2D Raschel) พบว่าช่องตะแกรงที่เลียนแบบโครงสร้างใบของต้น Cotula fallax มีประสิทธิภาพในการระบายน้ำและดักน้ำได้ดีกว่า (แม้ในกรณีที่ลมพัดขนานกับตาข่าย) เนื่องจากมีพื้นที่ผิวมากกว่า อย่างไรก็ดี ตาข่ายนี้ยังมีข้อจำกัดเรื่องราคาและการจัดหามาใช้งาน

ละอองน้ำสะสมบนใบต้น Cotula fallax ก่อนไหลไปสู่ลำต้น (ซ้าย) ช่องตะแกรงที่ออกแบบเป็น 3 มิติเลียนแบบโครงสร้างใบของต้น Cotula fallax (ขวา) (Klemm et al. 2012)

Pak Kitae จาก Seoul National University of Technology (South Korea) ได้ออกแบบขวดดักน้ำในอากาศเลียนแบบรูปร่างของแมลงปีกแข็งในทะเลทรายนามิบ เขาเลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิม เพราะเมื่อนำไปวางในนอกที่พักตอนกลางคืนผิวโลหะจะเย็น ในตอนเช้าเมื่อมีไอน้ำจากอากาศที่อุ่นกว่ามาตกกระทบจะเกิดการควบแน่น หยดน้ำจะไหลลงมาตามร่องไหลเข้าสู่ช่องแคบด้านล่าง ซึ่งช่องแคบนี้จะช่วยป้องกันสิ่งแปลกปลอมอื่น รวมถึงป้องกันสัตว์มาดื่มกินน้ำด้วย

Pak Kitae หวังว่าอุปกรณ์ที่ออกแบบมานี้จะสามารถดักน้ำได้ประมาณ 1 แก้วต่อการใช้ และอาจเป็นประโยชน์สำหรับผู้คนที่อาศัยในพื้นที่ที่ขาดแคลนน้ำดื่ม

ขวดดักน้ำในอากาศที่ Pak Kitae ออกแบบเลียนแบบรูปร่างของแมลงปีกแข็ง

ภาพจาก : https://www.yankodesign.com/2010/07/05/beetle-juice-inspired/

แหล่งข้อมูลและภาพประกอบ

Scroll Up